가교효소집합체

생화학에서 가교효소 집합체는 물리효소 집합체와 이관능성 가교체를 통해 제조된 고정화효소이다.그것들은 입체선택적 산업용 생체촉매로 사용될 수 있다.

배경

효소는 화학 반응을 촉매(즉, 가속화)하는 단백질이다.그것들은 천연 촉매이며, 식물, 동물, 미생물의 어디에나 존재하며, 생물에게 필수적인 과정을 촉매합니다.그들은 문명의 시초로 거슬러 올라가는 치즈 제조, 맥주 양조, 와인 제조와 같은 수많은 생명공학 과정에 깊이 관여하고 있다.최근 생명공학, 특히 유전공학 및 유전학의 진보는 확립된 응용을 위한 개선된 성질을 가진 효소의 효율적인 개발의 기초를 제공하고 있으며, 효소가 이전에 사용되지 않았던 완전히 새로운 응용을 위한 새롭고 맞춤화된 효소의 기초를 제공하고 있다.

오늘날 효소는 많은 다른 산업에서 널리 적용되고 있으며 적용 횟수는 계속 증가하고 있다.예로는 식품(제빵, 유제품, 전분 변환) 및 음료(맥주, 와인, 과일 및 야채 주스), 동물 사료, 직물, 펄프 및 종이, 세제, 바이오센서, 화장품, 의료 및 영양, 폐수 처리, 제약 및 화학 제조, 최근에는 바이오디젤과 같은 바이오 연료 등이 있다.효소가 널리 사용되는 주된 동인은 작은 환경적 공간입니다.

다양한 산업에서 사용되는 많은 전통적인 화학 변환은 경제적, 환경적 측면에서 내재적인 단점으로 인해 어려움을 겪습니다.비특이적인 반응은 낮은 제품 수율, 대량의 폐기물 및 불순한 제품을 발생시킬 수 있습니다.높은 온도와 압력의 필요성은 높은 에너지 소비와 높은 자본 투자 비용으로 이어집니다.불필요한 부산물의 폐기가 어렵거나 비싸고 위험한 용제가 필요할 수 있습니다.이와는 대조적으로 효소 반응은 용매로서 물 속에서 온화한 온도와 압력 조건에서 이루어지며 매우 높은 속도를 보이며 종종 매우 특이적이다.게다가, 그것들은 재생 가능한 원자재로 생산되고 생분해성이 있다.또한 효소공정의 경미한 작동조건은 비교적 간단한 장비에서 실행할 수 있고 제어가 용이하다는 것을 의미한다.즉, 에너지와 화학물질의 소비와 그에 따른 폐기물 발생을 줄임으로써 제조업의 환경적 풋프린트를 줄일 수 있습니다.

미세한 화학물질, 향료 및 향료, 농약 및 의약품의 생산에서 효소의 중요한 이점은 높은 수준의 화학선택성, 위치선택성 및 항안티선택성입니다.특히 이들 산업에서는 정교한 입체화학적 제어를 통해 높은 수준의 제품 형성을 촉매하는 능력이 가장 중요하다.

효소의 이러한 모든 바람직한 특성에도 불구하고, 효소의 광범위한 산업적 응용은 종종 효소의 장기적인 운영 안정성과 저장 수명의 부족, 그리고 번거로운 회수 및 재사용으로 인해 방해를 받습니다.이러한 단점은 일반적으로 효소 고정화에 의해 극복될 수 있다.산업용 생체 촉매의 주요 당면 과제는 안정적이고 견고하며 바람직하게는 불용성 생체 촉매의 개발이다.

이모빌라이제이션

자세한 내용은 고정화된 효소 고정을 참조하십시오.

효소를 고정시키는 데는 몇 가지 이유가 있다.효소의 취급이 편리할 뿐만 아니라 제품과의 분리가 용이하여 제품의 단백질 오염을 최소화하거나 제거할 수 있습니다.또한 고정화는 많은 애플리케이션에서 경제적 생존을 위한 조건 사인 쿼(conditio sinqua non)인 고가의 효소의 효율적인 복구 및 재사용을 촉진하고 지속적인 고정 침대 작동에서 효소의 사용을 가능하게 한다.또 다른 이점은 열이나 유기 용제에 의한 변성 또는 자가 분해에 의한 변성 등 저장 및 작동 조건 모두에서 안정성을 향상시키는 경우가 많습니다.효소는 변성(접힘)에 의해 활동에 필수적인 독특한 3차원 구조를 쉽게 잃을 수 있는 섬세한 분자입니다.유기 용제에 대한 내성과 더불어 광범위한 pH 및 온도 범위에 걸쳐 향상된 안정성을 통해 향상된 효소 성능은 높은 촉매 생산성(kg 제품/kg 효소)에 반영되며, 이는 다시 kg 제품 당 효소 비용을 결정합니다.

기본적으로, 효소 고정화의 세 가지 전통적인 방법, 즉 지지대에 대한 결합(캐리어), 끼임(캡슐화) 및 가교 방법이 구별될 수 있습니다.지원 바인딩은 본질적으로 물리적 바인딩, 이온 바인딩 또는 공유 바인딩일 수 있습니다.그러나 물리적 결합은 일반적으로 너무 약해서 높은 반응 물질 및 생성물 농도와 높은 이온 강도의 산업 조건 하에서 효소를 캐리어에 고정시킬 수 없습니다.서포트는 합성수지, 생체고분자 또는 (메소폴러스) 실리카 또는 제올라이트와 같은 무기 중합체일 수 있습니다.끼임에는 유기 폴리머나 실리카졸겔 등의 폴리머 네트워크(겔 격자) 또는 중공사나 마이크로캡슐 등의 막디바이스에 효소를 포함하는 것이 포함된다.가두는 효소의 존재 하에서 고분자 네트워크의 합성을 필요로 한다.세 번째 범주는 운반체가 없는 매크로 입자를 만들기 위해 효소 집합체 또는 결정을 2관능성 시약을 사용하여 가교하는 것을 포함한다.

운반체의 사용은 불가피하게 '활성의 희박화'로 이어지는데, 이는 90%에서 >99%에 이르는 비촉매 밸러스트의 많은 부분이 도입되어 시공간 수율 및 생산성이 떨어지기 때문이다.또한, 운반체에 효소를 고정시키는 것은 특히 높은 효소 부하에서 상당한 활성 손실을 초래하는 경우가 많다.결과적으로, 추가적인 (비싼) 운반체의 제외로 인해 고농축 효소 활성과 결합된 높은 안정성과 낮은 생산 비용의 이점을 제공하는 가교 연결 효소 결정(CLEC) 및 가교 연결 효소 집합체(CLEAs)와 같은 운반체 없는 고정화 효소에 대한 관심이 증가하고 있다.를 클릭합니다.^[1]

가교효소집합체(CLEA)

산업용 생체 촉매로서 가교 효소 결정(CLEC)의 사용은 1990년대에 Altus Biologics에 의해 개척되었다.CLECs는 해당 가용성 효소나 동결 건조(냉동 건조) 분말보다 열, 유기 용제 및 단백질 분해에 의한 변성에 대해 상당히 안정적인 것으로 입증되었다.CLEC는 1~100마이크로미터까지 다양한 제어 가능한 입자 크기를 가진 견고하고 활성성이 높은 고정화 효소입니다.높은 촉매 및 부피 측정 생산성과 더불어 운영 안정성과 재활용 용이성으로 인해 산업용 생체 변환에 이상적입니다.

그러나 CLEC에는 고유의 단점이 있습니다. 효소 결정화는 고순도의 효소를 필요로 하는 힘든 절차로, 이는 엄청나게 높은 비용으로 해석됩니다.반면, 최근에 개발된 가교 효소 집합체(CLEAs)는 단백질 분자의 물리적 집합체로서 수용액에서 효소의 단순 침전에 의해 생성되며, 소금이나 물 혼합성 유기 용제 또는 비이온성 ^[2][3]고분자를 첨가하여 생성된다.물리적 집합체는 3차 구조의 섭동 없이, 즉 변성 없이 공유 결합에 의해 함께 고정된다.이러한 물리적 응집체의 후속 가교로 인해 이들 응집체는 미리 구성된 상부 구조를 유지하면서 영구적으로 용해되지 않게 되고, 따라서 촉매 활성도 유지된다.이 발견은 새로운 고정화 효소 계열인 가교 효소 집합체(CLEAs)의 개발로 이어졌다.수성배지로부터의 침전은 종종 효소를 정제하기 위해 사용되기 때문에 CLEA 방법론은 기본적으로 정제 및 고정화를 고도로 순수한 효소를 필요로 하지 않는 단일 단위 조작으로 결합한다.예를 들어 조발효육수에서 생체변형을 수행하기에 적합한 정제 및 고정화된 형태로 효소의 직접 분리에 사용할 수 있다.

CLEA는 용이하고 저렴하며 효과적인 생산 방법 때문에 매우 매력적인 생물 촉매이다.쉽게 재사용할 수 있으며 안정성과 성능이 향상되었습니다.이 방법론은 기본적으로 보조 인자의존성 산화환원효소를 ^[4]포함한 모든 효소에 적용할 수 있다.항생제 합성에 사용되는 페니실린 아실라아제 적용은 다른 유형의 생체 촉매에 ^[5]비해 큰 개선을 보였다.

CLEA는 다음과 같은 다양한 용도로 사용될 수 있습니다.

1. 의약품, 향료 및 향료, 농약, 영양제, 미세 화학물질, 벌크 모노머 및 바이오 연료의 합성.
2. 동물 사료, 예를 들어 돼지 및 가금류에 의해 유기 결합 인산염 이용을 위한 피타아제.
3. 예를 들어 치즈 제조 시 리파아제, 와인 정제 시 락케이스 등 식음료 가공.
4. 화장품, 예를 들어 피부 관리 제품의 경우
5. 예를 들어 생물유화제, 생물유화제, 생물유화제, 생물유화제 등의 유지 가공.
6. 탄수화물 처리, 예를 들어 탄수화물 산화의 락케이스.
7. 펄프 및 종이(예: 펄프 표백)
8. 단백질, 탄수화물 및 지방 얼룩 제거를 위한 단백질 분해효소, 아밀라아제 및 리파아제 등의 세제.
9. 폐수 처리(페놀, 염료 및 내분비 교란제 제거 등)
10. 바이오센서/진단(글루코오스산화효소 및 콜레스테롤산화효소 바이오센서 등)
11. 유당불내증 증상을 완화하기 위해 유제품에서 유당의 소화 가수분해를 위한 치료제 또는 영양/소화 보조제로서의 단백질의 공급.

레퍼런스

외부 링크

• 방법론의 설명